La photométrie est la science des rayonnements visibles contrairement à la radiométrie qui consi-dère l’énergie transportée par tout rayonnement. On caractérise une source lumineuse par son flux lumineux en lumen (quantité de lumière émise par la source par unité de temps) et son inten-sité lumineuse en Candela ou lumen par stéradian qui est une quantité de flux par angle solide. L’éclairement en lux ou lumen par mètre carré caractérise la quantité de lumière reçue sur la surface d’une scène. Par exemple, un ciel diurne couvert produit environ 15000 lux contre 100 000 lux pour un ciel d’été ensoleillé à midi, tandis qu’il est préconisé d’avoir au moins 300 lux d’éclairement pour travailler sur un bureau.
En revanche l’œil ne perçoit que la luminance d’un objet qui correspond à l’intensité lumineuse émise par l’objet divisée par la surface apparente de cet objet. La luminance s’exprime en Candela par mètre carré (Cd/m2).
également l’interprétation des signaux par le cerveau. L’œil est un capteur qui permet de percevoir les intensités lumineuses variables selon la luminance des sujets dans la scène, les couleurs, les mouvements et, par le biais du cerveau, les scènes en 3 dimensions. L’analyse sémantique d’une scène va guider l’œil à acquérir des signaux mettant en évidence des variations de contraste spatiales et temporelles. On note que la rémanence de notre capteur optique est d’environ de 20 ms ce qui intervient dans les phénomènes d’éblouissement et d’images subliminales.
Notre champ visuel est d’environ 130o verticalement tandis qu’il approche 180ohorizontalement. La vision binoculaire, couvrant à peu près 120o, nous permet d’avoir une vision nette dans la zone fovéale (2o autour de l’axe optique), une perception des formes dans la zone d’ergorama (30o autour de l’axe optique) et uniquement une perception des mouvements dans la zone de panorama (60o autour de l’axe optique).
La perception des contrastes dépend des conditions d’éclairement de la scène et de la proximité de l’axe optique où l’œil est le plus sensible. Ceci explique que nous sommes moins éblouis par un fort contraste visible dans la zone de panorama. Quoiqu’il en soit la présence de 2 zones contigües de luminances très différentes tend à diminuer l’acuité visuelle et à dégrader la sensation de confort. Selon le niveau de luminance global d’une scène, l’œil s’adapte pour distinguer au mieux les variations de contraste en présence (rôle des cônes et bâtonnets répartis de façon non homogène dans l’œil et qui possèdent des sensibilités et rémanences différentes).
Les normes d’éclairage sont faites pour garantir une qualité d’éclairement au travail permettant de satisfaire efficacement les besoins d’une tâche donnée sans engendrer de fatigue visuelle. Le confort visuel est délicat à définir car il dépend de nombreux critères subjectifs liés à chacun, à son humeur, au moment de la journée, à l’âge du sujet, et la tâche à accomplir. C’est pourquoi il est plus évident et commun à chacun de lister des phénomènes d’inconfort visuel comme une distribution hétérogène de lumière dans une pièce, la présence d’ombres gênantes, l’absence de perception des textures ou encore des teintes de lumière inadaptées à la tâche ou l’ambiance visée.
L’éclairage naturel, qui dispose d’un très large spectre, est souvent le plus apprécié sans pour autant bannir toutes ces causes d’inconfort. En effet, l’éclairement solaire direct, bien qu’apprécié et salutaire, peut être source d’éblouissement en plus d’être un facteur de surchauffe en été. Par ailleurs, l’éclairement diffus issu de la voûte céleste (nuage, obstacles...) présente l’avantage de générer peu d’ombre, mais a l’inconvénient d’être parfois très variable dans le temps et d’être insuffisant pour éclairer une tâche donnée selon l’architecture du bâtiment considéré.
Le contraste est le critère qui se rapproche le plus du sens humain et qui s’exprime de la façon suivante avec L, la luminance d’une surface considérée :
CS = ∆LL
D’un point de vue confort, nous acceptons sans désagrément des contrastes jusqu’à 3 dans la zone fovéale, et jusqu’à 10 dans la zone de panorama. On note par ailleurs que la détection de contraste dé-pend aussi grandement de la luminance de fond, ce qui signifie qu’on perçoit mieux les faibles contrastes si l’éclairement est important (hors éblouissement bien sûr). De plus, la perception et l’acceptation de contraste dans le champ visuel dépend aussi de sa distribution spatiale (un effet de moiré ou des rayures lumineuses, possiblement provoqué par les lamelles d’un store vénitien, sont inconfortables) et de son occurrence temporelle (un clignotement ou scintillement est vite perçu comme inconfortable).
L’éblouissement direct est un phénomène très important d’inconfort qui se manifeste par la présence de luminaires trop puissants à proximité du champ de vision (les normes fixent des tolérances sur les positions angulaires de ces sources artificielles selon leur luminance). L’éblouissement indirect est dû aux réflexions spéculaires des rayons sur les surfaces brillantes qui peuplent nos intérieurs (écrans, meubles vernis...). L’éblouissement par effet de voile (c’est à dire par une forte luminance dans l’ergorama) perturbe en atténuant les contrastes utiles dans le champ de vision. Ainsi bien qu’elles ne soient pas prises en compte directement par les normes, les sources naturelles comme les fenêtres peuvent aussi être cause d’éblouissement par rapport au reste de la pièce selon sa géométrie.
La couleur intervient également dans la notion de confort visuel et principalement selon la proxi-mité (en pourcentage) du spectre de l’éclairement artificiel à celui d’un éclairement naturel. Ainsi les normes préconisent des Indices de Rendu de Couleurs (IRC) selon les zones de travail dans un
bâtiment. Plus important que l’ambiance chromatique que peut dégager une pièce par ses revêtements ou la couleur de son mobilier, le Facteur de Lumière du Jour (FLJ) caractérise le potentiel lu-mineux d’une pièce fenêtrée par le rapport de l’éclairement naturel reçu sur le plan de travail de la pièce et l’éclairement extérieur simultané horizontal par ciel couvert (sans éclairement direct). Un FLJ compris en 2% et 7% satisfait fréquemment un certain confort de travail sur table.
Des grandeurs photométriques aux modes de perception visuelle en passant par la caractérisation des scènes et ambiances perçues, on s’aperçoit que la notion de confort visuel reste assez subjective et floue à définir. Cependant on accepte communément que l’éblouissement apparaisse comme une cause première d’inconfort, ce sur quoi les normes statuent pour proscrire les ambiances lumineuses néfastes au travail. Ceci explique le grand nombre d’études et d’indices tentant de modéliser de façon générique et fiable les phénomènes d’éblouissement.
L’éblouissement agit comme un trouble du contraste nécessaire à la bonne perception d’une scène soit par excès, soit par manque. Dans ce dernier cas, on considère la luminance de voile comme étant une cause importante de l’atténuation de contraste comme l’illustre la figure 3.2.
Figure 3.2 – Luminance de voile Le contraste perçu devient CS = LD−LF
LF+LV
La luminance de voile a été étudiée de très longue date par Holladay [Holladay, 1926], Stiles et Crawford [Stiles, 1937] en fonction du nombre de sources, de leur angle de diffusion et de leur position dans le champ de vision. Bien plus tard, Vos a pris en compte le facteur de l’âge du sujet pour pondérer la perception de cette luminance de voile [Vos, 2003]. En reprenant tous ces paramètres, Hopkinson a produit un modèle de Luminance de gêne [Hopkinson RG, 1960] qui a été mis à jour au cours des années par Bennett [Bennett C. A. and B.C.V., 1984]. Ces modèles bien qu’intéressants ne distinguent pas les sources naturelles et artificielles, et n’intègrent pas la valeur de la luminance moyenne pourtant déterminante pour la sensibilité de l’œil.
Guth fut l’un des premiers à faire évoluer la notion de Luminance de gêne en proposant un Rapport d’Eblouissement de la Lumière du Jour (DGR pour Daylight Glare Rate) employé dans l’estimation de la probabilité d’un confort visuel (VCP pour Visual Comfort Probability ) repris par la Commission Internationale de l’Eclairement (CIE) [CIE, 1983].
En parallèle, d’autres modèles ont vu le jour pour caractériser notamment un bâtiment vis-à-vis de son aptitude à exploiter la lumière naturelle (BGI pour Building Research Station Glare Index ) mais leur validité a été contestée car inadaptés aux sources étendues et ne prenant pas en compte l’adaptation de l’œil à l’environnement lumineux [Chauvel J., 1982].
Après des décennies d’études sur ce domaine ayant pour but d’affiner des modèles de perception visuelle (DGI, Daylinght Glare Index, CGI, CIE Glare Index, ...), la CIE a adopté l’UGR (Unified Glare Rating) pour définir des normes au sujet des luminaires pouvant être cause d’éblouissement dans des environnements de travail définis.
Au regard de cet état de l’existant sur la perception visuelle, on se rend compte que malgré une bonne connaissance des grandeurs photométriques caractérisant un environnement visuel, il est déli-cat de généraliser une notion de confort visuel pour chacun du fait de la sensibilité propre de chaque
individu. Même si les normes n’ont eu de cesse de faire évoluer des modèles de perception pour tel ou tel cas (sources faiblement étendues, d’origine artificielle ou naturelle, multiples ou localisées...), elles convergent néanmoins sur les origines de l’inconfort visuel principalement dû à l’occurrence d’éblouis-sement.
Par ailleurs, toutes les études s’accordent à statuer que l’éclairage naturel et la vue de l’extérieur améliore de confort visuel ressenti par les occupants d’une pièce. On peut faire le parallèle avec une tem-pérature ambiante froide perçue confortable dès lors que le sujet est en présence de rayons calorifiques. Donc outre le fait qu’il soit très délicat de vouloir définir un indice de confort visuel universel, on imagine bien que l’humain aura également grand peine à maîtriser et contrôler les grandeurs visuelles d’influence de son environnement pour tendre au mieux vers une situation plus confortable (éviter les incohérences, les optima locaux). Dans ce contexte, la conception d’un système mécatronique complet permettant de moduler les grandeurs optiques de l’environnement des occupants d’un bâtiment tertiaire semble intéressant dès lors qu’il est possible d’objectiver les conditions visuelles actuelles de façon fiable et répétable pour évaluer la perception visuelle des occupants à travers une notion de confort. De plus, il pourra estimer la contribution des organes d’actionnement (luminaires pour les sources artificielles et stores vénitiens par exemple pour les sources naturelles) pour faire évoluer ces conditions.
C’est donc dans cet objectif que s’inscrit la conception d’un capteur de condition visuelle présentée ci-après.